基于运动捕捉的持刀砍击距离和砍击所需空间的特征分析

袁书芳，李上校，杨超朋，倪彬，郭文霞，石屹，王冬梅，潘嘉慧，王明直，郝卫亚

1.国家体育总局体育科学研究所，北京 100061；2.公安部鉴定中心，北京 100038；3.北京体育大学，北京 100084；4.北京化工大学，北京 100029

由于砍器方便易得，便于挥动，且挥动速度快、力量大，导致砍击的伤害性和威胁性较强[1]，是暴力伤人、杀人案件中最常见的方式之一。

砍击伤害案件中致伤工具的推断和伤害过程的重建[2]，如作案人性别、被害人体位、伤害部位等是重现作案过程的要素[3]。推断行凶时作案人与被害人间的水平距离可为判断两人间的位置关系以及在距离上能否完成砍击提供重要线索。整个砍击过程中，砍器的运动轨迹及所需空间对于推断砍击发生的空间大小具有重要提示作用。因此，作案人与被害人间的水平距离和砍击所需空间这两个参数反映了完成砍击行为所需的距离和空间，该距离和空间是否和案发现场相符是确定第一案发现场和案件性质的重要依据。

三维运动捕捉为砍击过程重建提供了新方法，在法医学领域具有重要作用[4]。近年来，TRINH 等[5]使用Qualisys 运动捕捉系统探究了不同质量和长度的铁质棍棒对受试者最大打击速度的影响，为评估钝性打击的伤害风险提供了参考依据。MUGGENTHALER 等[6]探究了不同打击方式（双手和单手持铁质棍棒打击）与打击速度的关系，对伤害动作模式与损伤风险的关系进行了初步探索。针对砍击案件，有学者使用三维运动捕捉系统对砍击假人的关节速度和刀速进行了运动学分析[7]；也有学者对砍击前臂的过程进行了仿真研究，探究了砍器锋利程度对前臂损伤的影响[8]，为砍创的形成机制研究提供了依据。

研究结果显示，以杀人为目的的砍击多发生在头部、颈部和胸部[9-10]，一些被害人会在失去意识的状态下（如醉酒、熟睡）受到致命砍击伤害，其损伤部位多为颈部[11-13]。本研究拟通过三维运动捕捉系统获得不同性别受试者使用厨刀砍击不同体位假人和假人不同部位的运动学数据，分析作案人性别、被害人体位、砍击部位和人体测量参数与砍击距离和砍击所需空间的关系，为此类案件的调查和研判提供参考依据。

1 对象与方法

1.1 实验对象

随机选取青年男女各12 名为实验对象，受试者均为右利手，身体状况良好且心理素质稳定。男性年龄（24.2±1.1）岁，身高（173.9±3.0）cm，体质量（73.2±9.1）kg；女性年龄（23.6±1.2）岁，身高（162.6±3.1）cm，体质量（55.0±5.5）kg。本研究由国家体育总局体育科学研究所伦理委员会审批（审批文号：20210709），在实验开始前受试者均签署知情同意书。

1.2 数据采集

砍击对象为硅胶材质假人（170 cm×65 cm）。实验刀具为家用厨刀[11，14-15]（质量1.17 kg，18.3 cm×9.0 cm），用贴布包裹刀刃以防止受试者受伤。为模拟被害人仰卧位被砍击[11]，使用折叠床（185 cm×60 cm×36 cm）辅助。

依据Qualisys PAF Running 模型在受试者身上粘贴反光标志点[16]，根据实际需要在假人头部、肩部、胸部、髋部以及刀具远端、近端粘贴反光标志点。

测试流程：（1）受试者穿着短袖或无袖紧身衣。（2）热身后，测试人员向受试者讲解并演示砍击动作，以手持刀具置于身体一侧作为挥刀砍击的开始和结束。假人处于站立位时，砍击颈部和胸部[17-18]，假人处于仰卧位时砍击颈部。砍击时受试者可调整与假人间的角度和距离以便能够发挥出最大力量。（3）受试者理解砍击要求后，尽全力依次砍击站立位假人的颈部、胸部和仰卧位假人的颈部。

使用8 镜头Oqus700 三维运动捕捉系统（瑞典Qualisys 公司）采集砍击动作的运动学数据，采样频率为250 Hz，配套反光标志点直径为14 mm。每个砍击动作采集3次有效数据，取数据点采集最全的1次进行4阶巴特沃斯低通滤波去噪声处理，截断频率为25 Hz。

1.3 数据处理

砍击过程界定为受试者挥刀开始到刀具接触假人瞬时的动作阶段。挥刀开始时刻为刀尖反光标志点（图1 中A点）坐标轴Z轴方向速度大于零的瞬时，刀具接触假人时刻为假人胸骨反光标志点速度大于零的瞬时。反光标志点的坐标、速度和受试者的身高、臂长、腿长人体测量参数从三维运动捕捉系统的分析软件Qualisys Track Manager（QTM）中获得。砍击距离和砍击所需空间界定如下：

图1 砍击所需空间示意图Fig.1 Schematic diagram of space required for slashing

（1）砍击距离（L）：作案人和被害人之间的水平距离能直观地反映两者之间的位置关系，因此砍击距离界定为刀具接触假人瞬时受试者与假人双侧髂前上棘连线中点间的水平距离（图2）。为排除受试者身高对砍击距离的影响，将砍击距离除以受试者身高作为相对砍击距离（l）。

图2 砍击距离示意图Fig.2 Schematic diagram of slashing distance

①受试者双侧髂前上棘的水平面坐标分别为[Xl，Yl]、[Xr，Yr]，假人双侧髂前上棘的水平面坐标分别为[xl，yl]、[xr，yr]。[Xc，Yc]和[xc，yc]分别为刀具接触假人瞬时受试者和假人双侧髂前上棘中点的坐标，计算公式为：

②刀具接触假人瞬时受试者和假人之间的砍击距离（L）为：

（2）砍击所需空间：对受试者实施砍击行为时非持刀侧和持刀侧的最大水平半径（LH）和最大垂直距离（LV）进行界定（图1）。非持刀侧水平距离（LHL）为非持刀侧（第二掌指关节点B）的运动轨迹围绕受试者双侧髂前上棘中点在水平面上的最大转动半径，除以受试者身高标准化为相对水平距离（lHL）；非持刀侧垂直距离（LVL）为非持刀侧（第二掌指关节点B）的运动轨迹在垂直方向上的最大距离，除以受试者身高标准化为相对垂直距离（lVL）；持刀侧水平距离（LHR）为持刀侧（刀尖A）的运动轨迹围绕受试者双侧髂前上棘中点在水平面上的最大转动半径，除以受试者身高标准化为相对水平距离（lHR）；持刀侧垂直距离（LVR）为持刀侧（刀尖A）的运动轨迹在垂直方向上的最大距离，除以受试者身高标准化为相对垂直距离（lVR）。

①受试者双侧髂前上棘的动态水平坐标分别为[Xl（t），Yl（t）]、[Xr（t），Yr（t）]，[Xc（t），Yc（t）]为受试者双侧髂前上棘中点的动态坐标，计算公式为：

②[Xk（t），Yk（t），Zk（t）]为刀尖A或非持刀侧第二掌指关节点B在X、Y和Z轴方向上的动态坐标，刀尖A或非持刀侧第二掌指关节点B运动轨迹围绕受试者双侧髂前上棘中点运动半径的动态变化值[LH（t）]为：

③水平距离LH为公式（8）中LH（t）的最大值，垂直距离LV为Zk（t）的最大值。

1.4 统计分析

采用Shapiro-Wilk 检验法对数据进行正态分布检验，采用两因素重复测量方差分析（2×2）分别对作案人性别-被害人体位（站立位和仰卧位假人的颈部）、作案人性别-砍击部位（站立位假人的颈部和胸部）的砍击距离及砍击所需空间的绝对值和相对值进行统计检验。使用Pearson 相关分析对人体测量参数（身高、臂长和腿长）与砍击距离和砍击所需空间的绝对值进行检验。数据用±s表示，所有统计分析在SPSS 20.0 软件（美国IBM 公司）中进行，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 砍击不同体位的比较

本研究中男女性的砍击距离和砍击所需空间均符合正态分布。两因素重复测量方差分析结果显示，性别和体位对砍击距离、砍击所需空间均无交互作用（P＞0.05，表1）。

在砍击距离方面，性别对砍击距离绝对值和相对值的影响无统计学意义（P＞0.05）；体位对砍击距离绝对值和相对值的影响有统计学意义，砍击站立位假人的砍击距离大于砍击仰卧位假人（P＜0.05）。详见表1。

在砍击所需空间方面，性别对持刀侧水平距离绝对值和垂直距离绝对值的影响有统计学意义，男性大于女性（P＜0.05），男女性间非持刀侧水平距离的绝对值和相对值、非持刀侧垂直距离的绝对值和相对值、持刀侧水平距离相对值和垂直距离相对值差异的均无统计学意义（P＞0.05）；体位对持刀侧垂直距离的绝对值和相对值的影响有统计学意义，仰卧位大于站立位（P＜0.05），站立位和仰卧位间非持刀侧水平距离的绝对值和相对值、非持刀侧垂直距离的绝对值和相对值、持刀侧水平距离的绝对值和相对值差异均无统计学意义（P＞0.05）。详见表1。

表1 砍击不同体位假人的砍击距离和砍击所需空间Tab.1 Distance and space required for slashing the mannequins at different positions（n=12，±s）

表1 砍击不同体位假人的砍击距离和砍击所需空间Tab.1 Distance and space required for slashing the mannequins at different positions（n=12，±s）

注：1）与相同性别站立位相比，P＜0.05；2）与男性相同体位相比，P＜0.05。

2.2 砍击不同部位的比较

两因素重复测量方差分析结果显示，性别和部位对砍击距离、砍击所需空间的交互作用均无统计学意义（P＞0.05，表2）。

在砍击距离方面，性别对砍击距离绝对值有影响，男性大于女性（P＜0.05），男女性间砍击距离相对值的差异无统计学意义（P＞0.05）；砍击部位对砍击距离的绝对值和相对值有影响，砍击胸部大于砍击颈部（P＜0.05）。详见表2。

表2 砍击站立位假人不同部位的砍击距离和砍击所需空间Tab.2 Distance and space required for slashing the different parts of the standing mannequins（n=12±s）

表2 砍击站立位假人不同部位的砍击距离和砍击所需空间Tab.2 Distance and space required for slashing the different parts of the standing mannequins（n=12±s）

注：1）与相同性别砍击颈部相比，P＜0.05；2）与男性砍击相同部位相比，P＜0.05。

在砍击所需空间方面，性别对持刀侧水平距离的绝对值和相对值、持刀侧垂直距离绝对值的影响有统计学意义，男性大于女性（P＜0.05），男女性间非持刀侧水平距离的绝对值和相对值、非持刀侧垂直距离的绝对值和相对值、持刀侧垂直距离相对值的差异均无统计学意义（P＞0.05）；砍击部位对持刀侧垂直距离的绝对值和相对值有影响，砍击颈部大于砍击胸部（P＜0.05），砍击胸部和颈部非持刀侧水平距离的绝对值和相对值、非持刀侧垂直距离的绝对值和相对值、持刀侧水平距离绝对值和相对值的差异均无统计学意义（P＞0.05）。详见表2。

2.3 人体测量参数与砍击距离和砍击所需空间的相关性

Pearson 相关分析结果（表3）显示：砍击站立位假人颈部时，身高与砍击距离、持刀侧水平距离和持刀侧垂直距离呈正相关，臂长与砍击距离和持刀侧水平距离呈正相关；砍击站立位假人胸部时，身高与砍击距离、持刀侧水平距离和持刀侧垂直距离呈正相关，臂长和腿长与持刀侧垂直距离呈正相关；砍击仰卧位假人颈部时，身高和臂长与持刀侧水平距离呈正相关。

表3 人体测量参数与砍击距离和砍击所需空间的相关系数Tab.3 Correlation coefficients of anthropometric parameters with distance and space required for slashing（n=24）

3 讨论

刀具是凶杀案件的主要作案工具，占36.7%[11]。在家庭激情凶杀案件中，作案刀具以厨刀为主，伤害动作形式以砍击为主，案发地点多在家中[11]，由于缺乏独立目击证人和监控视频资料，给案件侦查造成一定困难。因此，正确推断砍击所需空间与案发现场是否相符，对于重现案件过程非常重要。随着法医学和其他学科的交叉融合，采用三维运动捕捉系统模拟砍击过程，量化砍击动作活动空间范围，可以显示砍击行为与现场空间的关联性，为分析作案过程提供帮助。

本研究结果显示，砍击站立位假人颈部的砍击距离大于砍击仰卧位假人颈部，砍击所需空间小于砍击仰卧位假人颈部。被害人处于仰卧位时，砍击距离较小，持刀侧垂直距离较大，其原因可能是砍击站立位被害人颈部时，砍击部位在受试者前方，受试者主要向后方引臂挥刀，增加了砍击距离。砍击仰卧位被害人时，砍击部位低于受试者，受试者呈站立位向后上方引臂挥刀，增加了挥刀的高度，使持刀侧垂直距离增大。相对于站立位，砍击仰卧位被害人具有更大的砍击势能，造成的伤害有可能更加严重。通常来说，被害人在站立位受到砍击伤害大多是临时起意的激情伤人或者杀人，被害人在仰卧位受到砍击伤害多为预谋犯罪[19]。本研究结果可为判断作案人犯罪行为（激情犯罪或预谋犯罪）提供辅助线索。

本研究结果发现，砍击站立位假人颈部的砍击距离小于砍击站立位假人胸部，所需空间大于砍击站立位假人胸部。颈部和胸部是锐器伤害案件中最常被攻击的部位[20]，颈部有气管和重要血管，无骨组织和衣物保护，受到砍击伤害会造成呼吸困难或者急性失血性休克，因此，颈部受到砍击伤害更加致命。本研究结果显示，砍击部位为站立位颈部时，作案人和被害人距离较近，垂直距离较大。

本研究结果表明，不同性别间的砍击距离、持刀侧水平距离和持刀侧垂直距离差异具有统计学意义，男性砍击距离和砍击所需空间大于女性，但将指标相对身高标准化后，仅发现砍击站立位被害人颈部和胸部时男性持刀侧相对水平距离大于女性，即性别对砍击距离和持刀侧垂直距离的影响主要由身高造成，而造成不同性别间持刀侧水平距离差异的原因可能与其他因素有关。推测性别间持刀侧水平距离的差异可能来自力量的差异，男性上肢力量大于女性，导致性别间的砍击动作模式有所不同，男性上肢肘关节和腕关节伸展更加充分，增加了砍击时的旋转水平半径。因此，对持刀侧水平距离的研究还需要后续进一步探讨。

另外，本研究结果显示，人体测量参数身高和臂长与砍击距离和砍击所需空间呈正相关，而腿长对砍击距离和砍击所需空间影响不大。即随着身高和臂长的增加，砍击距离和砍击所需空间会不断增加，提示作案活动所需距离和空间与作案人身高和臂长等个体特征相关。因此，在推断案发现场和砍击所需距离和空间是否相符时还应考虑作案人的体格特征。

本研究中男女性受试者使用相同刀具进行测试，并未根据身高、体质量进行刀具长度和质量的标准化，可能对受试者砍击动作产生一定影响。此外，本研究中男性受试者平均身高高于假人，而女性平均身高低于假人，也可能会影响砍击时肘关节和腕关节的伸展角度，提示作案人与被害人的身高差可能会影响砍击动作模式。当作案人的身高高于被害人时，砍击的水平空间范围可能较大，反之，作案人的身高低于被害人时，砍击所需的水平空间可能较小。因此，分析作案人砍击的水平空间范围是否与现场空间相符，还应结合作案人和被害人的身高差距进行推定。

本研究中砍击所需空间是在实验室不受限制的空间环境下完成砍击的最小空间范围，即作案人尽全力完成砍击动作所需的最小空间值。若空间范围受限，受试者的砍击动作模式可能发生较大改变，如上臂不能充分外展、后伸，所造成的砍击伤害可能会有较大差异。空间环境大于砍击所需空间的，该处有可能是案发现场；若空间环境小于砍击所需空间，不能直接排除案发现场的可能，还需结合空间中是否存在砍器挥动痕迹进一步判断是否为案发现场。

本研究基于案件研判的实际需求，获得砍击伤害所需距离和空间的定量指标，为案件研判和法庭庭审提供了新的支撑依据。但由于条件的限制，实验设计未能选取砍击案件中其他常见的伤害部位和体位进行研究。此外，实际案件中还常伴有被害人躲闪、抵抗等行为，而本研究中的假人为静态对象，不能完全模拟动态砍击伤害过程，在后续的研究中可增加相关内容。